基于磁記憶技術的高溫蒸汽管道無損檢測

閆立鑫，符強，花廣如，王進峰，董天文

（華北電力大學機械工程系，河北 保定 071003）

電廠蒸汽管道長期在高溫高壓下工作，容易因缺陷誘發泄漏、爆炸等事故給電廠帶來損失。因此，為了保證蒸汽管道的正常運行，對管道進行質量檢查必不可少。常規的缺陷檢測方法有超聲檢測、射線檢測和渦流檢測等，應用廣泛。超聲檢測是以超聲波的反射原理來判斷缺陷的位置，陳昂等［1］基于超聲波原理設計了一種缺陷檢測裝置，并對管道內部缺陷進行檢測，檢測誤差僅在20%左右。射線檢測的原理是根據射線穿透工件時的衰減程度來判斷缺陷位置的，權濤等［2］將X射線成像技術應用于管道焊縫缺陷檢測上，X射線可以透過待檢管道，利用信息技術呈現出管道的內部情況，從而識別缺陷位置。渦流檢測的原理是電磁感應，根據線圈電流的變化判斷缺陷的位置，郭銳等［3］介紹了一種渦流缺陷定位和定量分析技術，可以根據探頭的檢出信號判斷出缺陷的位置和大致長度。以上這些方法可以檢測出缺陷，但也存在弊端，比如，超聲檢測需要在被檢物體上涂抹耦合劑，可能會損傷工件表面；射線檢測成本較高，而且X射線也會對人體造成傷害；同時，常規檢測方法只能檢測出已有缺陷，不能對早期缺陷進行預判［4］。金屬構件的缺陷是由于某一區域不斷受到應力集中作用形成的，磁記憶檢測技術作為一種新興的無損檢測技術，可以根據金屬構件的漏磁場強度和應力集中的分布特征對構件進行檢測，克服了常規檢測技術的弊端，既可以檢測出構件的已有缺陷，又可以對早期損傷進行預報［5］。

1997年，Doubov［6］第一次提出了磁記憶檢測技術，早期由于缺乏理論與實踐研究，只能與常規檢測方法配合使用。Doubov認為在金屬構件的應力集中區，漏磁場強度的切向分量具有峰值，法向分量符號改變且過零點，但并未揭示地磁場對磁記憶現象的影響。郭歡等［7］從力磁效應的機理出發，研究了鐵磁構件磁疇組織與應力的關系，根據磁機械和磁彈性效應解釋了磁記憶原理。基于磁記憶原理，一些學者將磁記憶檢測技術用于管道缺陷研究上，羅順友等［8］采用磁記憶技術對管道缺陷進行了檢測，分析了提離值、檢測速度和檢測姿態對檢測信號的影響。楊勇等［9］對埋地管道金屬的應力集中區進行磁記憶檢測，通過分析管道表面的磁場法向分量和梯度值確定了應力集中的位置，實現了對管道的早期診斷。為了提高檢測的準確率，磁場記憶方法也可與其他檢測方法結合使用，宋志強等［10］提出了一種基于漏磁/磁記憶方法的組合式管道缺陷檢測系統，與單一檢測方法比，該系統結合了漏磁檢測和磁記憶檢測方法的優點，實現了管道缺陷的高精度檢測。隨著計算機技術的發展，磁記憶技術也可與計算機技術結合，劉書俊等［11］以磁記憶檢測方法為原理，基于BP神經網絡對管道缺陷進行識別，識別率可以達到97.5%。唐玉蓮等［12］結合J-A力磁耦合模型分析了壓力對管道缺陷中磁記憶信號的影響，并利用ANSYS有限元軟件進行了力磁仿真，結果表明，磁記憶信號在缺陷處有2個特征：徑向磁場會產生突變，軸向磁場會出現最大值；磁記憶信號隨著壓力的增大而減小，之后保持不變。

金屬構件磁記憶信號的分布特征可以反映其缺陷位置，傳統方法僅從磁場強度的分布特征去判斷構件的應力集中區域，但容易造成誤判［13］。因此，為了準確判斷電廠蒸汽管道缺陷的位置和損傷程度，在對管道磁場強度的分析基礎上，研究磁場梯度的分布特征，可以實現對管道缺陷的早期檢測。

1 磁記憶檢測原理

在地磁場中，鐵磁構件受工作載荷的影響，會產生局部應力集中，磁疇組織在應力作用下會重新取向，形成磁極，導致構件在應力集中區形成局部漏磁場。漏磁場的磁場強度H可分為徑向磁場H（x）和法向磁場H（y），如圖1所示。在應力集中區，漏磁場的切向分量曲線具有峰值，法向分量曲線方向改變且過零點［14］。因此，根據金屬構件表面漏磁場強度的分布特征可以反映應力集中的位置。

圖1 漏磁場的法向分量和切向分量Fig.1 Normal and tangential components of the leakage magnetic field

根據金屬構件磁記憶信號的強度分布特征，可以判斷構件應力集中的位置，但容易出現漏判。磁場梯度可以反映磁場強度的變化程度，因此，通過檢測構件的磁場梯度來判斷缺陷位置，比磁場強度更準確。

2 45號鋼檢測實驗

選用45號鋼作為實驗試件，試件表面有一處焊縫，并設置3條檢測路徑，如圖2所示。使用TSC-1M-4磁記憶檢測儀對試件的磁記憶信號進行檢測。運用兩通道探頭，用探頭小車在試件的3條不同路徑上各檢測一次。

圖2 45號鋼焊接件Fig.245 steel weldment

第1路徑上的磁場強度沿掃描方向上的梯度圖像如圖3所示。由圖可以看出，第1通道上磁記憶信號在20～60 mm處存在大面積波峰，第2通道磁記憶信號在50～60 mm處存在波峰。綜合考慮2個通道的磁記憶信號可知，在50～60 mm處，被測試件處存在應力集中。第2路徑上的磁場梯度曲線如圖4所示，第1通道上的磁記憶信號在20～40 mm處存在明顯的波峰，第2通道的磁記憶信號在35～40 mm處存在一個小的波峰，由此判斷在45號鋼試件內部的35～40 mm處存在一個應力集中區。在280～300 mm處第2通道的磁記憶信號存在一個明顯的波峰，但是第1通道的磁記憶信號相對平穩，由此判斷此處無應力集中現象。第3路徑上的磁場梯度曲線如圖5所示，可以看出，2個通道上的磁記憶信號值大致重合，在30～50 mm、60～120 mm和170～190 mm處存在著波峰，判斷此處存在應力集中現象。在實際檢測中由于邊緣效應的存在，在曲線的開頭和結尾處也會呈現一定程度的跳躍性分布。

圖3 第1路徑的磁場梯度曲線Fig.3 Magnetic field gradient curve of the first path

圖4 第2路徑的磁場梯度曲線Fig.4 Magnetic field gradient curve of the second path

圖5 第3路徑的磁場梯度曲線Fig.5 Magnetic field gradient curve of the third path

橫向對比3個路徑上的磁記憶信號梯度曲線的波峰位置可以發現，波峰大多集中在45號鋼的焊縫附近，因為焊縫周圍具有較大的應力集中導致的。結果表明：磁記憶信號的梯度曲線可以反映應力集中的位置，此方法用于電廠蒸汽管道的探傷是可行的。

3 高溫蒸汽管道探傷實驗

主蒸汽管道長時間在高溫高壓下工作，會在對接焊縫周圍產生應力集中區域，長時間的積留會造成氣孔、裂紋等缺陷，蒸汽泄漏。因此，優先檢測蒸汽管道焊縫周圍的應力集中區，只要存在缺陷，就可及時對管道進行維護，若無缺陷，再對其他位置進行檢測，可以大幅度提升檢測效率。主蒸汽管道形狀為圓形，沿著焊縫周圍劃分4條掃描路徑，如圖6所示。

圖6 管道檢測Fig.6 Schematic diagram of pipeline inspection

選擇4通道探頭，用TSC-1M-4磁記憶檢測儀檢測主蒸汽管道焊縫區域，根據梯度曲線的波峰分布可以判斷應力集中的位置。經過檢測，該高溫蒸汽管道4條檢測路徑疑似的應力集中區域如圖7所示。

圖7 應力集中區Fig.7 Schematic diagram of stress concentration area

隨著高溫蒸汽管道運行時間的增長，應力集中區可能逐漸演變為內部缺陷，因此，為了辨別應力集中區是否已經存在缺陷，檢查各檢測路徑4個通道的梯度值及最大超調量，其中最大超調量表示磁場梯度最大值與中間值的比值，可以反映梯度的最大變化程度。第1、2、3路徑的MM-system數據分析見表1～表3。

表3 第4路徑的MM-system的數據分析表Tab.3 MM-system data analysis table for the forth path

從表1可以看出，第2通道的Kmed和Kmax具有最大值，而其余3個通道的K值都很小。4個通道的最大超調量m最大值為5.321，最小值為4.405，兩者之間相差很小，可以判斷此處應力集中尚未構成缺陷。

表1 第1路徑的MM-system數據分析表Tab.1 MM-system data analysis table for the first path

從表2中可以看出，第3通道的具有最大梯度值，值為Kmax=169.000 A·m-1·mm-1，除第4通道外，各通道的Kmax值較大，雖然第4通道的Kmax值相對較小，但是其m值最大，達到了37.802，與其余3個通道的m值相差很大，由此判斷該應力集中區已經存在缺陷。

表2 第2路徑的MM-system的數據分析表Tab.2 MM-system data analysis table for the second path

第4路徑的MM-system數據分析見表3。從表3可看出，第1通道的Kmax最大，值為109.000（A·m-1·mm-1），除第4通道外，各通道的Kmax均值為93（A·m-1·mm-1），而第4通道的Kmax只有40（A·m-1·mm-1），與其余3個通道的Kmax相差較大，但是第4通道的m值最大，說明梯度變化程度較大，為此該應力集中區已經造成了缺陷。

4 結語

為了應用磁記憶儀器檢測電廠高溫蒸汽管道中的應力集中及缺陷，首先在45#鋼焊接件進行驗證性，結果表明磁記憶無損檢測技術在應力集中檢測方面的有效性；然后，將該技術應用于電廠主蒸汽管道的缺陷檢測上。結果表明在蒸汽管道的應力集中區，磁場梯度值發生突變，曲線呈密集波峰狀分布，根據磁場梯度的分布特征可以判斷管道應力集中的位置和程度，分析曲線的梯度值和最大超調量，可以判斷應力集中區是否構成缺陷。